JP2009047290A - 全方向制振ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で規模の大きな地震による大きな負荷に対してもエネルギー吸収性能が大きな全方向制振ダンパーを提供することを目的とする。
【解決手段】全方向制振ダンパーにおいて、相対変位する一方の部材に固定される第１のスライド部材２の表面に軸方向に連続した凹凸４を形成し、相対変位する他方の部材に固定され前記第１のスライド部材と直交する方向に伸びる第２のスライド部材３の表面に軸方向に連続した凹凸４を形成し、前記第１及び第２のスライド部材の交差部に一方の面に前記第１のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸１１を形成し他方の面に前記第２のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸１２を形成したディンプルプレート１０が弾性部材１４、１５を設置した保持部材１０を介して配置され、前記第１及び第２のスライド部材がディンプルプレートを介してスライド可能にすることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、構造物の地震による振動を減衰するため相対変位可能な２部材間に配置される全方向制振ダンパーに関する。

建築物や橋梁等の構造物の地震による破壊を防止するために、構造物を構成する相対変位可能な２部材間に振動を吸収減衰する制振ダンパーが配置することが実施されている。従来の制振ダンパーとしては、例えば、オイルダンパー、粘性ダンパー、鋼材ダンパー、摩擦ダンパー等種々のものが実用化されている。
特開２００６−７７５０３号公報

従来の制振ダンパーとしてのオイルダンパーの場合、吸収するエネルギーは、復元力特性曲線に囲まれた面積に相当するものである。しかし、規模の大きな地震による大きな負により、オイルダンパーの復元力特性曲線に囲まれた面積以上の外部力が付加されると、オイルダンパーを固定している２部材に破壊限界を超えた負荷がかかりオイルダンパーやオイルダンパーを固定している２部材及び周辺部材が破壊されてしまうという問題がある。この問題は、粘性ダンパー、鋼材ダンパー、摩擦ダンパーにおいても同様である。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、簡単な構造で規模の大きな地震による大きな負荷に対してもエネルギー吸収性能が大きく外力を期待することなく装置内部の機械的構造によってのみダンパー効果が得られる全方向制振ダンパーを提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、全方向制振ダンパーにおいて、相対変位する一方の部材に固定される第１のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、相対変位する他方の部材に固定され前記第１のスライド部材と直交する方向に伸びる第２のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、前記第１及び第２のスライド部材の交差部に一方の面に前記第１のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成し他方の面に前記第２のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成したディンプルプレートが弾性部材を設置した保持部材を介して配置され、前記第１及び第２のスライド部材がディンプルプレートを介してスライド可能にすることを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の全方向制振ダンパーにおいて、前記第１のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力と前記第２のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力を別々に調整可能にすることを特徴とする。

本第３発明は、本第１又は第２発明の全方向制振ダンパーにおいて、前記ディンプルプレートに表裏面に形成される凹凸を変位方向に向かって順次抵抗が少なくなるように形成することを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜第３発明のいずれかの全方向制振ダンパーにおいて、前記ディンプルプレートと前記第１及び第２のスライド部材の凹凸係合が、地震等の外力より構造物が相対変位する際、前記凹凸係合を乗り越える時の反力と摩擦力によりエネルギーを吸収することを特徴とする。

本第５発明は、本第１〜第４発明のいずれかの全方向制振ダンパーにおいて、橋梁用支承、建築物用支承、建築物の柱、梁の耐震補強部材のいずれかに用いることを特徴とする。

本発明の相対変位する一方の部材に固定される第１のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、相対変位する他方の部材に固定され前記第１のスライド部材と直交する方向に伸びる第２のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、前記第１及び第２のスライド部材の交差部に一方の面に前記第１のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成し他方の面に前記第２のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成したディンプルプレートが弾性部材を設置した保持部材を介して配置され、前記第１及び第２のスライド部材をディンプルプレートを介してスライド可能にする構成により、構造が簡単で必要部品も少なく構造物への取り付けも容易であり、外力を期待することなく装置内部の機械的構造によってのみダンパー効果が得られ、規模の大きな地震力の全方向の負荷に対して、ディンプルプレートと第１及び第２のスライド部材との凹凸係合部の１つ１つを乗り越える際の反力と摩擦力により移動の度に大きなエネルギーを吸収ができるので構造物に大きな負荷を与えることがなく、構造物を塑性荷重以下で設計可能とすることができる。維持管理にかかるコストも低減できる。
前記第１のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力と前記第２のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力を別々に調整可能にする構成により、同一装置で変位量とエネルギー減衰量を制御できると共に、方向によって変位量とエネルギー減衰量を制御できる。
ディンプルプレートに表裏面に形成される凹凸を変位方向に向かって順次抵抗が少なくなるように形成する構成により、構造系の長周期化により絶対加速度応答の低減を図る負の剛性制御が可能なダンパーとすることができる。
ディンプルプレートと第１及び第２のスライド部材の凹凸係合が、地震等の外力より構造物が相対変位する際、前記凹凸係合を乗り越える時の反力と摩擦力によりエネルギーを吸収する構成により、簡単な構成で外力を期待することなく装置内部の機械的構造によってのみ大きなダンパー効果を得ることができる。
橋梁用支承として用いる構成により、橋脚の塑性荷重以下での設計を可能とし、狭い作業空間でのダンパー取り付け作業も容易にでき、ダンパー取り付けのための橋脚幅の調整が不要になり、変位制限、落橋防止、エネルギー減衰、上揚力対応もダンパー単体で対応でき、建築物用支承として用る構成により、基礎構造の塑性荷重以下での設計を可能とし、狭い作業空間でのダンパー取り付け作業も容易にでき、変位制限、エネルギー減衰、上揚力対応もダンパー単体で対応でき、建築物の柱、梁間の耐震補強部材として用いる構成により、取り付けが容易で、エネルギー吸収性が高いので建築物の耐震性を大幅に向上することができる。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１は本発明の全方向制振ダンパーの一実施形態を示す斜視図である。

全方向制振ダンパー１は、構造物を構成する相対的に変位する一方の部材に固定される第１のスライド部材２と、相対変位する他方の部材に固定される第２のスライド部材３を有する。構造物が橋梁の場合、相対的に変位する部材は、橋桁と橋脚又は橋台であり、構造物が建築物の場合、相対的に変位する部材は、例えば柱と梁や、基礎と上部構造になる。図に示される実施形態では、第１及び第２のスライド部材をＨ型鋼としているが、本発明は、第１及び第２のスライド部材２、３をＨ型鋼に限定するものではなく、他の断面形状の部材であっても良い。

第１及び第２にスライド部材２、３のフランジ部表面に、軸方向に連続したスライド部材凹凸４を形成する。スライド部材凹凸４の形状は、第１及び第２にスライド部材２、３で同一形状とする。第１及び第２のスライド部材凹凸４は、直接第１及び第２スライド部材２、３に形成してもよく、凹凸部を別部材として第１及び第２スライド部材表面に接着固定しても良い。第１及び第２にスライド部材２、３を、スライド部材凹凸４を形成したフランジの面が向き合うようにし、その中央部が直交して交差するように配置する。例えば、橋梁用として使用する場合は、第１及び第２のスライド部材１、２の一方は橋軸方向に伸びるように橋桁又は橋脚に固定し、他方を橋軸方向と直交する方向に伸びるように橋桁又は橋脚に固定する。建築物の基礎と上部構造に設置する場合は、第１及び第２のスライド部材２、３の一方を基礎構造に固定し他方を上部構造に固定する。建築物の耐震補強用の制振ダンパーとして使用する場合は、一方を柱と柱の間に伸びるように両端を柱に固定し、他方を梁と梁の間に伸びるように両端を梁に固定する。

第１及び第２にスライド部材２、３の直交する交差部に、第１及び第２のスライド部材１、２をスライド自在に保持する保持部材５を配置する。

図２に保持部材５の一実施形態を示す。保持部材５は、上面中央に第１のスライド部材２のウェブをガイドする第１の細溝６と、該第１の細溝６の下部と連結し第１のスライド部材２のフランジをスライド自在に収容する第１の幅広溝７からなる断面略Ｔ字形の溝を形成する。保持部材５の裏面中央には、第２のスライド部材３のウェブをガイドする前記第１の細溝６と直交する方向に伸びる第２の細溝８と、該第２の細溝８の上部と連通し第２のスライド部材３のフランジをスライド自在に収容する第２の幅広溝９からなる断面略Ｔ字形の溝を形成する。第１の幅広溝７と第２の幅広溝９は交差部で連通し、交差部に後述するディンプルプレート１０と弾性部材１４、１５を配置する空間を形成する。保持部材５の上面と裏面の第１、第２の細溝６、８を形成した面には、弾性部材の押し付け力を調整するボルトを螺着する貫通ネジ孔１３を複数形成しても良い。保持部材５は第１及び第２のスライド部材２、３をスライド可能に保持する機能と、第１及び第２のスライド部材２、３の上揚力に対応する機能を有する。

図３は、保持部材５の第１、第２幅広溝７、９との交差空間に配置されるディンプルプレート１０を示す図である。

ディンプルプレート１０は、第１、第２の幅広溝７、９との交差空間の断面と相似の形状をしており、その表面側には第１のスライド部材２のフランジに形成したスライド部材凹凸４と係合する表面凹凸１１が形成され、その裏面側には第２のスライド部材３のフランジに形成したスライド部材凹凸４と係合する裏面凹凸１２が形成される。第１、第２のスライド部材２、３は直交して配置されるのでディンプルプレート１０の表面凹凸１１と、裏面凹凸１２は伸びる方向が９０度相違する。

図４は、第１図のＡ−Ａ線の断面図である。第１及び第２のスライド部材２、３を直角に交差させて保持部材５に配置される。保持部材５の第１、第２幅広溝７、９との交差空間にディンプルプレート１０が配置され、ディンプルプレート１０の表面凹凸１１が第１のスライド部材２のフランジに形成したスライド部材凹凸４と係合し、ディンプルプレート１０の裏面凹凸１２が第１のスライド部材３のフランジに形成したスライド部材凹凸４と係合する。保持部材５内で第１のスライド部材２のウェブの両側のフランジ上面に２つの第１の弾性部材１４が設置され、保持部材５内で第２のスライド部材３のウェブの両側のフランジ下面に２つの第２の弾性部材１５が配置される。

第１及び第２の弾性部材１４、１５は、地震等に外力により構造物が相対変位する際、ディンプルプレート１０と第１及び第２のスライド部材２、３の凸凹係合を乗り越えるときの反力と摩擦力を発生する機能を有する。第１及び第２の弾性部材１４，１５は、ゴム等の弾性材料で形成しても良いし、圧縮スプリングを用いて良い。第１及び第２の弾性部材１４、１５の弾性力を変えることによりディンプルプレート１０の表面凹凸１１及び裏面凹凸１２と第１及び第２のスライド部材２，３のスライド部材凹凸４との地震時の移動抵抗を制御し、変位量、エネルギー減衰量を制御できる。この実施形態の全方向制振ダンパーによれば、締め付け力等の外力を期待することなく装置内部の機械的構造によってのみダンパー効果が得られる。

第１及び第２の弾性部材１４、１５の弾性力を変えるためには、例えば弾性部材１４，１５がゴム等の弾性材料で形成する場合、異なる弾性度のゴムを選択しても達成され、弾性部材１４、１５が圧縮スプリングにより形成される場合、異なるバネ力を持つ圧縮スプリングを選択すれば良い。また、保持部材５の上面と下面に形成した複数の貫通ネジ孔１３を形成し、押し付けボルト１６を螺着することにより、第１及び第２の弾性部材１４、１５の押し付け力を調整し、ディンプルプレート１０の表面凹凸１１及び裏面凹凸１２と第１及び第２のスライド部材２，３のスライド部材凹凸４との地震時の移動抵抗を制御し、変位量、エネルギー減衰量を制御できる。

第１及び第２の弾性部材１４、１５の弾性力又は押し付け力の調整は、それぞれ単独で可能であるので、第１及び第２の弾性部材１４，１５の弾性力又は押し付け力を異ならせ、方向性によって異なる変位量、エネルギー減衰量の制御が可能である。

全方向制振ダンパー１の設置時に、第１及び第２の弾性部材１４、１５を無負荷状態で設置しても良い。第１及び第２の弾性部材１４、１５を無負荷状態とすることは、地震時にスライド部材凹凸４と表面凹凸及び裏面凹凸の係合を乗り越えて変位する際にのみ弾性部材１４，１５が機能するので、第１、第２の弾性部材１４、１５を長寿命化し、温度変化による部材の収縮、膨張に対応できる。

ディンプルプレート１０の表面凹凸１１及び裏面凹凸１２と第１及び第２のスライド部材２，３のスライド部材凹凸４との地震時の移動抵抗は、弾性部材１４，１５の弾性力又は押し付け力だけではなく、それぞれの凸凹の形状、ピッチ、凹凸の振幅が影響する。凹凸形状が角形であると噛みこみ現象が発生しスライド不能になるので、凹凸の形状に丸味をつけるのが望ましい。

ディンプルプレート１０の表面凹凸１１及び裏面凹凸１２の形状を変位方向に向かって抵抗が少なくなるように形成しても良い。変位方向に向かって抵抗が少なくなるようにする構成としては、一例を挙げれば、図５に示されるように、変位方向に向かって凹凸の凹の深さを順次浅くするとか、変位方向に向かって摩擦係数を小さくする。このような構造にすることにより、地震力による変形に対してこれを線形的に加速するような制御力を与える負剛性制御とする。これは、構造系が有している正の剛性が見かけ上低減されるため、構造系の固有周期を長周期化し、絶対加速度応答を低減するものである。

図６は、本発明の全方向制振ダンパー１の作用を説明するため、横軸に変位量δ、縦軸に荷重ＰとしたＰ−δ図である。第１及び第２のスライド部材２、３のスライド部材凹凸４とディンプルプレート１０の表面凹凸１０、裏面凹凸１１との係合が地震により相対変異する部材が変位する際、係合状態の凹凸の一方の凸部が他方の凸部を乗り越える際の反力と摩擦力により大きなエネルギー吸収性能を有し、一方の凸部が他方の凸部を乗り越え隣り合う凹部に落ち込み、再び一方の凸部が他方の凸部を乗り越える状態が連続して継続し、連続したエネルギー吸収性能を発揮できる。その結果、図６に示されるように、地震エネルギーは本発明の全方向制振ダンパー１により吸収され、構造物に塑性荷重Ｐ２以上の荷重がかからないので、構造物の塑性荷重Ｐ２を高めること無く（構造物自体の耐震性を高めることなく）耐震性を向上することができる。

本発明の全方向制振ダンパー１は、橋桁と橋脚又は橋台間に用いることができる。第１のスライド部材２を橋桁に固定し、第２のスライド部材３を橋脚又は橋台に固定する。その際、第１及び第２のスライド部材２、３の一方を橋軸方向に向け、他方を橋軸方向と直交する方向に向ける。第１及び第２のスライド部材２、３が橋軸方向とそれと直交する方向にディンプルプレート１０との凹凸係合を乗り越えて移動するので全方向の変位に対して大きなエネルギー吸収ができ、橋脚の塑性荷重を高くすることなく耐震性を向上できる。また、保持部材５により第１及び第２のスライド部材２、３の上下動が阻止されるので地震時の上揚力対応もでき、ストッパーを設けることにより落橋防止もできる。本発明の全方向制振ダンパーは単品で変位制限、落橋防止、エネルギー減衰、上揚力対応が可能である。また、部品点数が少なく、狭い作業空間への取り付け作業も容易で、メンテナンスの回数も減らすことができる。

本発明の全方向制振ダンパー１は、建築物の基礎と上部構造の間に用いることができる。第１のスライド部材２を建築物の上部構造に固定し、第２のスライド部材３を基礎に固定する。第１及び第２のスライド部材２、３が互いに直交する方向にディンプルプレート１０との凹凸係合を乗り越えて移動するので全方向の変位に対して大きなエネルギー吸収ができ、基礎の塑性荷重を高くすることなく耐震性を向上できる。また、保持部材５により第１及び第２のスライド部材２、３の上下動が阻止されるので地震時の上揚力対応もできる。本発明の全方向制振ダンパーは単品で変位制限、エネルギー減衰、上揚力対応が可能である。また、部品点数が少なく、狭い作業空間への取り付け作業も容易で、メンテナンスの回数も減らすことができる。

本発明の全方向制振ダンパー１は、建築物の柱、梁の耐震補強部材として用いることができる。第１のスライド部材２を建築物の柱と柱の間に固定し、第２のスライド部材３を建築物の梁と梁の間に固定する。第１及び第２のスライド部材２、３が互いに直交する方向にディンプルプレート１０との凹凸係合を乗り越えて移動するので全方向の変位に対して大きなエネルギー吸収ができ、柱、梁の塑性荷重を高くすることなく耐震性を向上できる。部品点数が少なく、狭い作業空間への取り付け作業も容易で、メンテナンスの回数も減らすことができる。

以上のように本発明の全方向制振ダンパーは、構造が簡単で必要部品も少なく構造物への取り付けも容易であり、外力を期待することなく装置内部の機械的構造によってのみダンパー効果が得られ、規模の大きな地震力の全方向の負荷に対して、ディンプルプレートと第１及び第２のスライド部材との凹凸係合部の１つ１つを乗り越える際の反力と摩擦力により移動の度に大きなエネルギーを吸収ができるので構造物に大きな負荷を与えることがなく、構造物を塑性荷重以下で設計可能とすることができる。維持管理にかかるコストも低減でき、また、同一装置で変位量とエネルギー減衰量を制御できると共に、方向によって変位量とエネルギー減衰量を制御でき、さらに、構造系の長周期化により絶対加速度応答の低減を図る負の剛性制御が可能なダンパーとすることができる。

本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。

符号の説明

１：全方向制振ダンパー、２：第１のスライド部材、３：第２のスライド部材、４：スライド部材凹凸、５：保持部材、６：第１の細溝、７：第１の幅広溝、８：第２の細溝、９：第２の幅広溝、１０：ディンプルプレート、１１：表面凹凸、１２：裏面凹凸、１３：貫通ネジ孔、１４：第１の弾性部材、１５：第２の弾性部材、１６：押し付けボルト、

Claims (5)

1. 相対変位する一方の部材に固定される第１のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、相対変位する他方の部材に固定され前記第１のスライド部材と直交する方向に伸びる第２のスライド部材の表面に軸方向に連続した凹凸を形成し、前記第１及び第２のスライド部材の交差部に一方の面に前記第１のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成し他方の面に前記第２のスライド部材に形成した凹凸と係合する凹凸を形成したディンプルプレートが弾性部材を設置した保持部材を介して配置され、前記第１及び第２のスライド部材がディンプルプレートを介してスライド可能にすることを特徴とする全方向制振ダンパー。
2. 前記第１のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力と前記第２のスライド部材の弾性部材の弾性力又は押し付け力を別々に調整可能にすることを特徴とする請求項１に記載の全方向制振ダンパー。
3. 前記ディンプルプレートに表裏面に形成される凹凸を変位方向に向かって順次抵抗が少なくなるように形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の全方向制振ダンパー。
4. 前記ディンプルプレートと前記第１及び第２のスライド部材の凹凸係合が、地震等の外力より構造物が相対変位する際、前記凹凸係合を乗り越える時の反力と摩擦力によりエネルギーを吸収することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の全方向制振ダンパー。
5. 橋梁用支承、建築物用支承、建築物の柱、梁の耐震補強部材のいずれかに用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の全方向制振ダンパー。

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